CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN
2.6 Tính toán kiểm tra ổn định hố đào
2.6.1 Kiểm tra về thấm của hố đào trong đất có mực nước ngầm cao
a. Yêu cầu chung
Khi đào đất với lượng đất lấy đi khá lớn đã làm biến đổi trường ứng suất, trường biến dạng của đất quanh hố đào có thể dẫn đến mất ổn định nền đất nói chung
và mất ổn định cả nền và kết cấu chắn giữ hố đào. Do đó, trong thiết kế chắn giữ hố đào bằng tường dọc barrette đều cần kiểm tra ổn định hố đào, khi cần phải thêm các biện pháp gia cường để nền đất quanh hố đào được ổn định hơn.
Các dạng mất ổn định do biến dạng và chuyển vị của tường và đất xung quanh hố đào có thể xem hình bên dưới.
H
D
B
T
Cu
Hình.2.11. Chuyển vị của đất và biến dạng của tường chắn hố đào.
Các yếu tố ảnh hưởng đến chuyển vị và ổn định nói trên gồm có:
+ Sức chống cắt không thoát nước của đất Cu; + Độ sâu của hố đào H;
+ Bề rộng hố đào B;
+ Độ sâu của lớp đất tốt, T;
+ Độ sâu của tường trong đất, D;
+ Độ cứng của tường, EI;
+ Khoảng cách giữa các thanh chống;
+ Tác động của áp lực nước dưới đất;
+ Sự thành thạo thi công.
Khi hố đào có thành nghiêng (không cần kết cấu chống giữ thành) thì kiểm tra theo phương pháp trượt cung tròn. Phân tích ổn định tổng thể của hố đào (gồm nền và kết cấu chống giữ) cũng theo phương pháp mặt trượt cung tròn nhưng phải xét tới độ sâu 2-3 lần độ sâu hố đào.
Khi xét đến ổn định chống trượt tổng thể thì do mặt tường thẳng đứng không giống với mặt trượt cung tròn nên tâm mặt trượt thường ở bên trên tường chắn gần với mép bên trong hố đào.
Để xét tới độ sâu cắm vào đất của tường phải xét đến yêu cầu ổn định và chống thấm của nền đất dưới đáy hố đào. Ở đây chỉ xét yếu tố nước ngầm đối với ổn định của hố đào.
b. Ảnh hưởng của nước ngầm
Tác động của nước ngầm tới độ lún của đất rất đa dạng và xảy ra ở các giai đoạn đào khác nhau. Tại nơi tường chắn đặt vào lớp đất dính nhưng không đạt tới độ sâu hố đào, trạng thái thấm ổn định sẽ phát triển thành dòng ở bên dưới chân tường.
Dòng thấm này là nguyên nhân làm giảm áp lực nước ngầm, làm tăng ứng suất hữu hiệu và độ lún đất xung quanh hố đào. Cũng tại thời điểm này, sức kháng bị động giảm do dòng chảy đẩy nổi phía trong tường chắn, sự dịch chuyển lớn hơn xảy ra khi sức kháng bị động thay đổi đến 1 lượng nào đó. Sự hình thành trạng thái ổn định nước ngầm là nguyên nhân dẫn đến sự dịch chuyển của đất theo hai phương nằm ngang và thẳng đứng, có thể xuyên qua tường chắn nếu thi công không tốt. Các dòng chảy của nước ngầm vừa nêu có thể xem hình bên dưới.
Sét
Hình. 2.12. Dòng chảy nước ngầm vào hố đào.
Sự hạ mực nước ngầm lớn nhất ở gần hố đào và giảm dần theo khoảng cách so với hố đào. Vì vậy, quá trình lún ở các điểm khác nhau sẽ có hình dạng tương tự như do dỡ tải các lớp đất bên trên hố đào gây ra.
Hình.2.13. Hạ mực nước ngầm trong hố móng.
c. Kiểm tra ổn định do tác động của nước ngầm
+ Ổn định của hố đào khi dòng thấm không có áp Khi đào hố trong đất bão hòa phải chú ý đến áp lực nước, ổn định của hố, kiểm tra trong tình hình chảy thấm thì có thể xuất hiện phun trào (cát chảy) hay không. Khi nước ngầm chảy từ bên dưới mặt đáy hố lên phía trên thì các hạt đất trong nền sẽ chịu lực đẩy nổi của nước thẩm thấu. Khi áp lực nước thẩm thấu quá lớn các hạt đất sẽ vào trạng thái huyền phù, tạo ra hiện tượng phun trào.
Toàn bộ lực thẩm thấu J tác dụng trong phạm vi phun trào B là:
J whB (2.24)
Trong đó:
h: tổn thất cột nước trong phạm vi B từ chân tường đến mặt đáy hố đào thường lấy: hhw/ 2;
w: trọng lượng riêng của nước;
B: phạm vi xảy ra cát chảy, thường lấy B = D/2;
Trọng lượng nước của khối đất W chống lại áp lực thẩm thấu là: W 'DB
Trong đó:
': trọng lượng đẩy nổi của đất;
D: độ cắm sâu của tường vào đất.
Hình.2.14. Sơ đồ kiểm tra phun trào đáy hố do dòng thấm.
Nếu thỏa mãn điều kiện W>J thì sẽ không xảy ra phun trào, tức là phải thỏa mãn điều kiện:
' '
2
s
w w w
D D
K h h
(2.25)
Trong đó:
Ks: hệ số an toàn chống phun trào, thường lấy Ks>=1.5.
DH
hw
Hình.2.15. Sơ đồ kiểm tra phun trào đáy hố của tường chắn.
Ngoài ra tường chắn chỉ là kết cấu chắn đất tạm thời, để đơn giản tính toán có thể lấy gần đúng theo đường chảy ngắn nhất như hình trên, tức đường chảy sát vào tường chắn để tìm lực chảy thấm lớn nhất:
w
w w
w
h
j i
L
i h L L L mL
(2.26)
Trong đó:
Chống chảy thấm hoặc ổn định phun trào của khối đất ở đáy hố đào tính theo công thức:
' ' cr w cr
s
w w
i y i y y
j iy iy i
K (2.27)
Trong đó:
icr: độ dốc thủy lực tới hạn của khối đất đáy hố đào:
' 1
1
w s
cr w
y G
i y e
(2.28)
Gs: tỷ trọng hạt đất;
e: hệ số rỗng của đất;
Ks: hệ số an toàn chảy thấm hoặc chống phun trào, lấy bằng 1.2 – 2.
Khi đất đáy hố đào là đất cát, đất bột cát, đất sét và đất bột trong đó có kẹp tầng mỏng cát bột rõ rệt thì Ks lấy trị số lớn.
+ Ổn định đáy hố đào khi dòng thấm có áp Trong lớp đất sét không thấm nước, có một tầng chứa nước hoặc trong tầng chứa nước tuy không là nước có áp nhưng do đào đất mà hình thành chênh lệch cột nước bên trong và bên ngoài hố đào, làm cho áp lực trong tầng chứa nước ở bên trong hố móng lớn hơn áp lực nước tĩnh như hình dưới.
Kiểm tra ổn định chống nước có áp của đất ở đáy hố móng theo công thức sau:
cz y
wy
K P
P (2.29)
Trong đó:
Pcz: áp lực do trọng lượng bản thân lớp đất phủ kể từ mặt hố đào đến mái của tầng nước có áp;
Pwy: áp lực cột nước của tầng nước có áp;
Ky: hệ số an toàn chống nước có áp, lấy bằng 1.05.
Hình 2.16. Trồi đáy hố đào do nước có áp gây ra.